Μελέτη της επίδρασης της εμφύτευσης ιόντων στις οπτικές, δομικές και ηλεκτρικές ιδιότητες πυριτίου και δομών SIMOX πυριτίου με ταχεία φασματοσκοπία FOURIER υπερύθρου

Abstract

The focus of the present Doctoral Thesis was dictated by the need to perform Fast Fourier Transform Optical Measurements in the Infrared using the versatile extended BRUKER IFS113v Spectrophotometer in Aristotle University of Thessaloniki as well as to develop the appropriate software for spectroscopic analysis. The potentiality of the method is exhibited via the study of the effects of ion implantation on the optical, structural and electrical properties of silicon and SIMOX structures. As a consequence, the Thesis is divided into two main parts containing both experimental results as well as appropriate theoretical information. Part Α΄ spans the first three chapters. It deals with the implementation of Fast Fourier Transform Infrared Spectroscopy via the IFS113v spectrophotometer and the optical analysis of multilayer structures. The Bruker IFS113v spectrophotometer, is consisted of a Genzel interferometer which in combination with the fast-sensitive infrared detectors and the fast Fourier transforms (based on the Cooley-Tukey FFT algorithm) yields ultrafast measurements of interferograms. Consequently, each collected spectrum is the result of a number of interferograms exhibiting an elevated signal to noise ratio compared with data from conventional Fourier spectrophotometers . IFS113v has a modular structure which provides versatility in applications and an extended spectral range of operation (FIR, MIR, NIR-VIS). Working with a spectral range of 10-20000 cm-1 it can be considered as ΄΄three spectrophotometers in one΄΄, spanning the spectral range of the Perkin Elmer 190 grating spectrometer as well as (partly) the conventional Fourier spectrophotometer of RIICK, in the Solid State Section of the Faculty of Physics in the Aristotle University of Thessaloniki. Chapter 1 illustrates the main features and the information processing in Fast Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Chapter 2 reveals the advantages of IFS113v in combination with the OPUS spectroscopic software of BRUKER for processing optical spectra while exhibiting the procedure of collecting spectra. Chapter 3 deals with the development of algorithmic solutions and software concerning the analysis of the optical spectra of multilayer structures. It illustrates a main focal point of this Thesis, that is the generalization of the matrix methods so as to obtain a General transfer matrix method for optical multilayer systems with coherent, partially coherent and incoherent interference. It also deals with indirect methods for optical analysis and models of refractive index dispersion, as well as with the spectral features and the optical properties of insulating and conductive solids. Experimental data are used to compare the method of resulting waves, the matrix method and that of the flow graphs using a) SiC/Si structures (single film on a substrate) b) SIMOX structures (double film on a substrate) and c) double SIMOX structures (four films on a substrate). Despite the refractive index dispersion models, another goal of the software under development was to deal with samples with one dimensional inhomogeneity. Refractive index depth profiles exhibiting a) linear, b) exponential, c) Gaussian d) asymmetric Gaussian e) Pearson-function and f) Edgeworth-function depth variation were implemented in the model. The first three profiles are useful for the modeling of refractive index transition regions. Profiles c-f are used to model the changes in the refractive index of crystalline targets after ion implantation.

Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια της εγκατάστασης του εκτεταμένου φασματοφωτομέτρου IFS113v της Bruker στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης για την υλοποίηση οπτικών μετρήσεων ταχείας φασματοσκοπίας Fourier υπερύθρου, FT-IR και της ανάγκης ανάπτυξης κατάλληλου λογισμικού για την ανάλυση των φασμάτων. Οι δυνατότητες της μεθόδου καταδεικνύονται μέσα από τη μελέτη της επίδρασης της εμφύτευσης ιόντων στις οπτικές, δομικές και ηλεκτρικές ιδιότητες πυριτίου και δομών SIMOX πυριτίου. Για το σκοπό αυτό, το υλικό της διατριβής χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη που περιλαμβάνουν από κοινού τόσο τα πειραματικά αποτελέσματα όσο και τα αντίστοιχα θεωρητικά στοιχεία. Το Α΄ Μέρος αποτελείται από τα τρία πρώτα κεφάλαια. Σχετίζεται με την εφαρμογή της ταχείας φασματοσκοπίας Fοurier υπερύθρου μέσω του IFS113v και τη διαδικασία με την οποία κατέστη εφικτή η πραγματοποίηση και η ανάλυση οπτικών μετρήσεων FT-IR σε υλικά πολλαπλών επιστρώσεων. Το IFS113v της Bruker, περιλαμβάνει ένα συμβολόμετρο Genzel το οποίο σε συνδυασμό με τους γρήγορους-ευαίσθητους ανιχνευτές υπερύθρου και τους ταχύτατους μετασχηματισμούς Fourier (με βάση τον FFT μετασχηματισμό Cooley-Tukey) δίνει ταχύτατες μετρήσεις συμβολογραφημάτων. Έτσι, κάθε μετρούμενο φάσμα μπορεί να προκύψει από το μέσο όρο πολλών συμβολογραφημάτων με αποτέλεσμα την αισθητή αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Το IFS113v έχει μια σπονδυλωτή δομή που του προσδίδει μεγάλη επεκτασιμότητα στις δυνατότητες και τη φασματική περιοχή λειτουργίας (FIR, MIR, NIR-VIS). Έτσι, με φασματική περιοχή 10-20000 cm-1 μπορεί να θεωρηθεί σαν ΄΄τρία φασματοσκόπια σε ένα΄΄, καλύπτοντας τόσο το φασματοσκόπιο φράγματος Perkin Elmer 190 όσο (εν μέρει) και το συμβατικό φασματοσκόπιο Fourier της RIICK, του Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο Τμήμα Φυσικής του Α.Π.Θ. Το κεφάλαιο 1 δίνει τα βασικά χαρακτηριστικά και την επεξεργασία σήματος στην ταχεία φασματοσκοπία FOURIER υπερύθρου. Το κεφάλαιο 2 αναδεικνύει τα χαρακτηριστικά και τα πλεονεκτήματα της πειραματικής διάταξης οπτικών μετρήσεων IFS113v και καταλήγει παρουσιάζοντας τη διαδικασία λήψης μετρήσεων, το σύστημα διαχείρισης οπτικών δεδομένων και το φασματοσκοπικό πρόγραμμα OPUS της BRUKER. Το 3ο κεφάλαιο σχετίζεται με την ανάπτυξη αλγορίθμων ανάλυσης οπτικών φασμάτων δομών πολλαπλών επιστρώσεων και παρουσιάζει ένα σημαντικό στόχο της παρούσας διατριβής, τη γενίκευση της μεθόδου των πινάκων για την αντιμετώπιση συνθηκών μερικής ή ολικής έλλειψης συμφωνίας του φωτός. Παρουσιάζονται οι έμμεσες μέθοδοι ανάλυσης με τα χρησιμοποιούμενα μοντέλα διασποράς του δείκτη διάθλασης, καθώς και τα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά και οι οπτικές ιδιότητες μονωτικών και αγώγιμων στερεών. Μέσα από πειραματικά αποτελέσματα, συγκρίνονται οι μέθοδοι των συνισταμένων πεδίων, των πινάκων και των γραφημάτων ροής α) σε δομές SiC/Si (απλό υμένιο πάνω σε υπόβαθρο) β) σε δομές απλού SIMOX (διπλό υμένιο πάνω σε υπόβαθρο) και γ) σε δομές διπλού SIMOX (τετραπλό υμένιο πάνω σε υπόβαθρο). Εκτός από τα μοντέλα διασποράς στο δείκτη διάθλασης, ο υπολογιστικός αλγόριθμος που αναπτύχθηκε σχεδιάστηκε έτσι ώστε να αντιμετωπίζει και προβλήματα μονοδιάστατης ανομοιογένειας του δείκτη διάθλασης. Μοντελοποιούνται έτσι κατανομές του δείκτη διάθλασης όπου η μεταβολή συναρτήσει του βάθους έχει τη μορφή α) γραμμικής, β) εκθετικής, γ) Gaussian δ) ασύμμετρης Gaussian ε) Pearson και στ) Edgeworth συνάρτησης . Από αυτές τις κατανομές του δείκτη διάθλασης, οι τρεις πρώτες και κυρίως η δεύτερη και η τρίτη προσφέρονται για τη μοντελοποίηση μεταβατικών περιοχών του δείκτη διάθλασης. Οι γ΄-στ΄ είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για την περιγραφή των τροποποιήσεων του δείκτη διάθλασης κρυσταλλικών στόχων ύστερα από εμφύτευσή τους με ιόντα πρόσμιξης.